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Medizin

Neue Methode zeigt Nervenzellen bei der Arbeit

Montag, 1. März 2021

Bild einer lebendigen im Labor gezüchteten Nervenzelle: Die Membran, die sie umgibt, leuchtet hell, da an ihrer Außenseite das fluoreszierende Protein sitzt. /Universitätsklinikum Bonn, Milan Pabst

Bonn – Wissenschaftlern der Universität Bonn und der University of California in Los Angeles haben eine Methode verbessert, die es nun ermöglicht, Nervenzellen bei der Arbeit zuzusehen. Forscher können damit die Ausbreitung elektrischer Signale in lebenden Nervenzellen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung beobachten.

Die Arbeit ist in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) erschienen (DOI: 10.1073/pnas.2020235118).

Nervenzellen leiten elektrische Signale bekanntlich über Axone an andere Nervenzellen weiter. Jede Nervenzelle ist von einer dünnen Membran umhüllt, die sie von ihrer Umgebung trennt. Im Ruhezustand befinden sich an der Außenseite dieser Membran viele positiv geladene Ionen, deutlich mehr als auf der Innenseite. Zwischen Innen und Außen besteht also ein Membranpotenzial. Dieses verändert sich, wenn ein Signal eine bestimmte Stelle des Axons passiert.

Die Wissenschaftler um Istvan Mody vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitions­forschung (IEECR) des Universitätsklinikums Bonn haben die Axone jetzt mit fluoreszierenden Proteinen bestückt.

Wichtig für die Methode ist ein weiteres Element, ein sogenannter „Dark Quencher“, der sich auf der Innenseite der Membran befindet. Durch die Spannungsänderung bei der Signalweiterleitung wechselt er jedoch nach außen. Dort trifft er auf die Fluoreszenzproteine und schirmt sie ab. Sobald sich das Poten­zial normalisiert, wandert der Dark Quencher zurück auf die Innenseite, und die Leuchtkraft erhöht sich wieder. Die Erregungsweiterleitung wird so als „Dunkelheitstropfen“ sichtbar, der am Axon entlang­läuft.

„Im Grunde ist diese Methode nicht neu. Wir haben sie aber an 2 Stellen grundlegend verbessert“, erläutert Mody. Bislang wurden die Fluoreszenzproteine nämlich direkt in die Membran integriert, was die Funktion der Neurone erheblich störte. Die neuen Nanolämpchen dagegen sitzen außerhalb der Membran. Sie bleichen zudem nicht so schnell aus, sondern behalten 40 Minuten ihr Leuchtvermögen – laut den Forschern ist dies 4 Mal so lang wie herkömmliche Fluoreszenzfarbstoffe.

Die 2. Änderung betrifft den „Dark Quencher“: Die Verbindung, die normalerweise dafür eingesetzt wird, ist giftig. „Unser Quencher ist dagegen völlig ungefährlich“, so Mody. Er reagiere zudem schneller und empfindlicher auf kleinste Potenzialänderungen. Dadurch lassen sich laut den Forschern mit der Methode bis zu 100 elektrische Pulse pro Sekunde sichtbar machen.

„Letztlich ist die Methode ein neues vielversprechendes Werkzeug, um die Arbeitsweise des Gehirns besser zu verstehen“, hieß es aus der Arbeitsgruppe. © hil/aerzteblatt.de

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